[논문 리뷰] Measurement of $ t\overline{t} $ production in association with additional b-jets in the eμ final state in proton–proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Aakvaag, Erlend외 2970명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 2015–2018년 동안 수집한 140 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 바탕으로, √s = 13 TeV 조건에서 ATLAS 검출기로 상전하 쿼크 쌍(tt̄) 생성과 추가 b-제트를 함께 관측한 정밀 측정을 제시한다. 연구는 입자 수준에서의 유효 단면적과 미분 분포를 보고하며, 이는 다음 준위의 QCD 예측과 양호한 일치를 보이나, 모든 관측량을 동시에 설명할 수 있는 단일 이론 모델은 존재하지 않아, 향후 더 정교한 이론 모델링과 측정 감도 향상이 필요함을 시사한다.

ABSTRACT

This paper presents measurements of top-antitop quark pair ($t\bar{t}$) production in association with additional $b$-jets. The analysis utilises 140 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV. Fiducial cross-sections are extracted in a final state featuring one electron and one muon, with at least three or four $b$-jets. Results are presented at the particle level for both integrated cross-sections and normalised differential cross-sections, as functions of global event properties, jet kinematics, and $b$-jet pair properties. Observable quantities characterising $b$-jets originating from the top quark decay and additional $b$-jets are also measured at the particle level, after correcting for detector effects. The measured integrated fiducial cross-sections are consistent with $t\bar{t}b\bar{b}$ predictions from various next-to-leading-order matrix element calculations matched to a parton shower within the uncertainties of the predictions. State-of-the-art theoretical predictions are compared with the differential measurements; none of them simultaneously describes all observables. Differences between any two predictions are smaller than the measurement uncertainties for most observables.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 eμ 최종 상태에서 추가 b-제트를 포함한 상전하 쿼크 쌍(tt̄) 생성의 유효 단면적을 측정하기 위해.
• 검출기 수준 선택 기준에 가까운 입자 수준의 유효 단면적 영역을 정의하여 모델에 의존하는 외삽을 최소화하기 위해.
• 제트 운동량, b-제트 쌍의 성질, 쿼크 붕괴 구조에 민감한 미분 단면적 측정을 제공하기 위해.
• 최신 NLO QCD 예측(파트론 샤워와 매칭)이 다양한 관측량에 대해 데이터와 호환되는지 테스트하기 위해.
• 유사한 최종 상태에서 힉스 보존 및 Z 보존 분석에 핵심적인 QCD 역학을 이해하기 위해 tt̄+b-제트 생성에서의 QCD 역학을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 2015–2018년 동안 LHC에서 ATLAS 검출기로 수집한 140 fb⁻¹의 양성자–양성자 충돌 데이터를 활용하였다.
• 검출기 수준 선택 기준에 가까운 안정된 입자 수준의 물체를 기반으로 입자 수준에서 유효 단면적 영역을 정의하였으며, 검출기 응답 보정을 최소화하기 위해 이를 최대한 유사하게 유지하였다.
• b-제트의 성분을 고려한 데이터 기반 보정 요소를 사용하여 검출기 수준의 관측량을 입자 수준 분포로 복원하는 언폴딩을 수행하였다.
• 배경 추정 기법을 적용하였으며, 비순수 및 잘못 식별된 렙톤에 대한 데이터 기반 방법과 순수 렙톤 배경를 포함하였다.
• NLO 행렬 요소를 파트론 샤워와 매칭한 여러 몬테카를로 생성기(MadGraph5_aMC@NLO + Herwig 7)를 사용하여 신호 및 배경 과정을 모델링하였다.
• 통계적 및 체계적 불확도를 정량화하였으며, 실험적, 신호 모델링, 배경 모델링 불확도를 포함하여 단면적 추출의 신뢰성을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 eμ 최종 상태에서 tt̄+b-제트 생성에 대한 측정된 유효 단면적은 다음 준위의 QCD 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 현재의 NLO QCD 예측(파트론 샤워 매칭 포함)은 b-제트 운동량 및 쿼크 붕괴 생성물의 미분 분포를 어느 정도 잘 묘사하는가?
• RQ3 b-제트 개수, 횡방향 운동량, 이제트 질량 또는 각도 상관관계 분포에서 이론 예측과 데이터 사이에 관측 가능한 불일치가 존재하는가?
• RQ4 상전하 쿼크 붕괴에서 기인한 것으로 분류된 b-제트와 글루온 복사에서 기인한 것으로 분류된 b-제트의 측정된 분포는 이론 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 여러 관측량에 걸쳐 통합 및 미분 단면적을 모두 고려할 때, 데이터와 예측 간의 호환성 수준은 어떠한가?

주요 결과

• 최소 3개 또는 4개의 b-제트를 포함한 tt̄+b-제트 생성에 대한 측정된 통합 유효 단면적은 실험적 불확도 범위 내에서 NLO QCD 예측(파트론 샤워 매칭 포함)과 일치한다.
• 현재의 이론 예측 중 어느 하나도 측정된 모든 미분 분포를 동시에 잘 묘사하지 못하며, 이는 b-제트 생성 메커니즘에 대한 현재 모델링의 한계를 시사한다.
• 모델 간의 두 예측 간 차이는 일반적으로 측정 불확도 및 QCD 스케일 변동보다 작으며, 이는 현재 데이터로는 모델 간의 구별 능력이 제한됨을 의미한다.
• 상전하 쿼크 붕괴에서 기인한 것으로 분류된 b-제트의 운동량 분포와 pT 순서로 정렬된 분포 모두 데이터와 유사한 호환성을 보이며, 분석의 제트 할당 방식에 대한 강건성을 시사한다.
• tt̄ 사건에서 b-제트의 성분을 보정하기 위한 데이터 기반 보정 요소를 성공적으로 적용하여 언폴딩 과정에서의 모델 의존성을 감소시켰다.
• 주요 b-제트의 pT 스펙트럼, 이제트 질량, 추가 b-제트의 각도 분포를 포함한 미분 측정 결과는 b-제트를 포함한 쿼크 생성에서의 QCD 역학을 종합적으로 탐색하는 데 기여한다.